TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE DURANGO CNC Unidad 1 Apellidos y nombre Carrete Hernández Perla Alejandra 17041356 Galindo Ortiz Edgar Ulises 17041160 Vargas Olivera Ximena 17041202 Octavo Semestre Ingeniería Mecatrónica Investigación -Control de movimiento- Profesor: Ing, Miguel Ángel Aguilar Aragón Victoria de Durango, Dgo. 1 de marzo del 2021 ÍNDICE Introducción…………………………………………………………………………...….1 Justificación………………………………………………………………………………1 Tipos de motores de una máquina CNC………………………………………………2 Motores paso a paso………………………………………………………………2 Servomotores………………………………………………………...……………4 Motores lineales………………………………………………………………..….5 Tipos de accionamientos en una máquina CNC……………………………….……7 Husillos a bola………………………………………………………………..…….8 Accionamientos piñón-cremallera……………………………………………...11 Accionamientos por acoplamiento directo………………………………….….14 Motor lineal…………………………………………………………………….….14 Motor par……………………………………………………………………….…16 Conclusiones……………………………………………………………………………17 Bibliografía……………………………………………………………………………....18 INTRODUCCIÓN En un mundo tan acelerado como el de hoy, es importante para todos ser productivos y ofrecer a los clientes los resultados que desean en el tiempo adecuado. Lo mismo en los servicios que en la industria, todas las empresas se esfuerzan por ser más productivas y reducir costos. Para vencer todos estos retos se han desarrollado las máquinas de control numérico computarizado (CNC), las cuales son unas de las mejores herramientas para el mecanizado por decoletaje fresado, taladrado, ranurado, y otras operaciones de corte de metal de forma automática a través de órdenes recibidas desde un ordenador. Este trabajo tiene como objetivo conocer los motores con los que funcionan estas máquinas CNC para realizar el respectivo movimiento, desplazamiento y posición indicada, así como sus accionamientos mecánicos, los cuales son los encargados de realizar los movimientos en los ejes a partir del giro del motor. También se verán las prestaciones que ofrece cada elemento al igual que sus desventajas y limitantes. JUSTIFICACIÓN Los ingenieros y operarios que quieran ser expertos en máquinas herramienta de control numérico deben conocer las ventajas y limitantes que ofrece cada elemento con los que opera la máquina CNC, ya que para conseguir la máxima eficiencia en los procesos se debe conocer el proceso a fondo de manera anticipada para obtener los mejores resultados en las operaciones. 1 TIPOS DE MOTORES DE UNA MÁQUINA CNC Una máquina CNC realiza los movimientos de forma automática a partir de las órdenes recibidas por un ordenador, este movimiento no podría ser automático si no tuviésemos unos motores que realicen dicho movimiento, estos motores además de realizar el movimiento tienen que poder desplazarse y mantener la posición indicada por el ordenador. Para ello se utilizan habitualmente motores eléctricos de corriente continua (CC) que están controlados mediante señales electrónicas de entrada y de salida, podemos controlar la velocidad variando el voltaje en un cierto rango y podemos controlar en parte su posición, sin embargo, no podemos controlar la posición ni el torque. Otro tipo de motor es el de corriente alterna (CA) , el cual puede variar su torque en base al voltaje suministrado dentro de un pequeño rango, y puede variar también su velocidad en base al cambio de la frecuencia de CA que se le suministra. Pero, tampoco se puede controlar la posición. Los movimientos de estos mecanismos tienen que ser de gran rigidez y resistir los esfuerzos generados por las fuerzas de corte o por los desplazamientos a alta velocidad. Los tipos de motores más usados actualmente son los motores paso a paso, servomotores (o motores encoder) y los motores lineales. El principio del CNC se ha utilizado en las máquinas desde la década de 1940, la actualización de los avances en la tecnología informática. Máquinas de control numérico función utilizando ya sea paso a paso o servomotores, cada una con sus propias ventajas y desventajas. MOTORES PASO A PASO (PaP) Estos motores son capaces de avanzar una serie de grados (pasos) a partir de unas señales de control, es decir, avanza un paso por cada pulso que el microprocesador le aplique. Presentan las ventajas de tener alta precisión y repetitividad en cuanto al posicionamiento. Están formados por una serie de bobinas que al ser excitadas 2 fijan una posición, y dependiendo del orden de excitación de las bobinas el motor se mueve hacia un lado o hacia el otro. Los grados de giro de estos motores es muy variado pasando desde los 90º hasta los 1/8º, cada ángulo de giro, (también llamado paso) se efectúa enviando un pulso en uno de sus terminales, es decir que por ejemplo en motores que tienen 90º de giro por paso, se requieren 4 pulsos para dar una vuelta completa, mientras que en los de 1/8º se necesitan 200 pulsos. Para poder usar de forma correcta estos motores es necesario un controlador o driver que envié el orden adecuado de excitación de las bobinas. Aunque existen varios tipos de motores, estos pueden ser motores bipolares o motores unipolares. Se suelen utilizar en máquinas de poca capacidad de trabajo y son alimentados con corriente continua. Estos motores son capaces de quedar fijos en una posición o ser totalmente libres. Si una o más de sus bobinas está energizada, el motor estará fijo en la posición que le corresponde o en el caso contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas. Figura 1 Motor paso a paso Ventajas Es simple de operar, de bajo costo en comparación con servomotores y tiene una alta precisión informada. Su par de baja velocidad permite el uso de una reducción 3 de la polea y la correa de distribución, lo que permite varias cargas a ser conducidos sin engranajes. Desventajas Suelen tener una menor eficiencia que los servomotores. También es propenso a la resonancia, y el movimiento suave a menudo requiere microstepping. Las cargas no aceleran rápidamente debido al bajo par a par de inercia. A pesar del fuerte ruido y sobrecalentamiento en alto rendimiento, los motores paso a paso tienen una salida de potencia baja en general por su peso y tamaño. SERVOMOTORES Son motores de construcción convencional de escobillas (4 escobillas) o la tendencia actual, brushless con control electrónico de posición, es un motor eléctrico que no emplea escobillas para realizar el cambio de polaridad en el rotor, esto aumenta enormemente su durabilidad.. Habitualmente trabajan acoplados a una reductora de precisión e incluyen un sensor de posicionamiento para gestionar la posición. Para completar el sistema una controladora específica coordina la velocidad y aceleración del motor, así como el error de posición. Acostumbran a ser los más utilizados debido a su alta potencia y alto par conseguido a bajas vueltas, permitiendo trabajar a pocas revoluciones con grandes cargas de trabajo. Los torques y sobre todo las velocidades alcanzadas son muy superiores a los motores PaP, pero su coste es también bastante más elevado. El funcionamiento de los servomotores es prácticamente el mismo que un motor de corriente alterna convencional, solo que con un encoder conectado al mismo. Este encoder controla las revoluciones exactas que da el motor traspasando los datos al control para que se tenga el registro exacto del mismo. (UNAC, 2011). El mismo encoder es el encargado de frenar en el punto exacto que ordena el control al motor. Los controles numéricos en su comunicación con los motores tienen su parada ya calibrada por medio de lo que se le llama “rampa de desaceleración” para evitar los desplazamientos no deseados provocados por la inercia. 4 Figura 2 Servomotor Ventajas Utilizan circuitos de bucle cerrado para transferir la información a la máquina CNC. Un motor normal de CC o de CA está conectado a un codificador fijo con un sensor. Los servomotores tienen alta precisión y resolución debido al codificador sensor fijo. El motor es alimentado por el amplificador servo, que cuenta también con los pasos realizados. Su elevado par a par de inercia permite una rápida aceleración de las masas. Con cargas más ligeras, la eficiencia puede alcanzar hasta el 90 por ciento. Desventajas Los servomotores son generalmente más costosos que los motores paso a paso y más complicados de operar. Como potencia de funcionamiento pico sólo se desarrolla a gran velocidad, y el sistema de ventilación fácilmente se contamina, los servomotores son más susceptibles a daños por sobrecalentamiento y sobrecarga. También requieren mantenimiento después de que el cepillo llegue a su vida útil de 2.000 horas. MOTORES LINEALES Un motor lineal es un motor rotatorio “desenrollado”, es decir, que se ha cortado por uno de sus radios y se ha estirado hasta dejarlo plano. 5 En palabras más técnicas, un motor lineal consiste en un elemento primario, donde se encuentran los devanados, y un elemento secundario que se extiende a lo largo de la distancia que se va a recorrer, aportando como ventaja la posibilidad de poder disponer de varios primarios sobre un mismo secundario. Pueden existir modelos síncronos y asíncronos. Están basados en el principio electromagnético que muestra que la fuerza electromagnética proporciona movimiento lineal sin requerir levas, engranajes, correas u otros dispositivos. Son utilizados en aplicaciones que requieren una dinámica muy alta, gracias a su alta aceleración y velocidad lineal. Los conductores primarios están embebidos en el núcleo del estator y los conductores secundarios del rotor en el núcleo de éste. El entrehierro está cerrado sobre sí mismo. Un motor lineal consta de dos partes, el vástago y el estator. Figura 3 Motor lineal Ventajas: Son capaces de generar grandes aceleraciones, lo que reduce de forma considerable los tiempos de mecanizado en los desplazamientos de trabajo en vacío, tienen posicionamiento libre, ajuste de velocidad, fuerza programable, 6 movimientos monitorizados, bajo costo de mantenimiento y de energía, así como larga vida de servicio. Desventajas: Tienen una baja eficiencia debida a su gran entrehierro y cuentan con un efecto punta, ocasionado por el estator, que tiene una terminación del campo magnético. Este efecto de punta es casi despreciable a baja velocidad pero a alta velocidad es significativo. TIPOS DE ACCIONAMIENTOS MECÁNICOS EN UNA MÁQUINA CNC En las máquinas herramienta de control numérico computarizado (CNC) tiene vital importancia mantener el control de los sistemas de accionamiento para garantizar el máximo rendimiento de estas máquinas. Estos accionamientos son los encargados de realizar los movimientos en los ejes a partir del giro básico generado por el grupo del motor-reductor. Si a un tornillo le colocamos una tuerca, y giramos el tornillo evitando que la tuerca gire, la tuerca se desplazará proporcionalmente al giro del tornillo, este es el principio de movimiento de las máquinas de CNC, sin embargo, del tornillo del que se habla no es un tornillo común. Los sistemas de accionamiento permiten posicionar la herramienta y/o las piezas de trabajo de manera rápida, precisa y controlada. Los mecanismos de los sistemas de accionamiento se clasifican según los parámetros de velocidad y aceleración, la potencia que son capaces de transmitir, la precisión del movimiento, rigidez, sus dimensiones y su fiabilidad. Los accionamientos para los ejes lineales cartesianos (X, Y, Z) se componen de un servomotor y de un sistema de conversión de movimiento generalmente de giro a lineal. Los accionamientos que más se usan son: el husillo a bolas, y el motor lineal. De estos dos, el sistema más empleado es la combinación de servomotor y husillo a bolas, salvo para tareas de alta precisión o elevados requisitos dinámicos. Sin 7 embargo, para trayectorias de trabajo largas que se requieren en las máquinas herramienta de grandes dimensiones, el accionamiento empleado es el piñóncremallera. Los accionamientos para ejes rotativos (A, B, C) utilizan un servomotor y reductor (sinfín-corona). El motor lineal consta de un motor eléctrico con estator y rotor, distribuidos de tal forma que, en vez de producir un par, producen una fuerza lineal en el sentido axial. Los accionamientos de piñón-cremallera y de motor lineal se utilizan generalmente para los movimientos de masas reducidas, debido a la alta demanda de intensidad de corriente dada por el sistema. Sin embargo, una limitante para su uso son las precauciones especiales que hay que tomar durante las operaciones de configuración, así como la eficiencia energética que apenas se puede mantener en un nivel óptimo. El accionamiento se tendrá que elegir de acuerdo a la carga o estructura que deberá mover la máquina herramienta, la función de la precisión y la velocidad a la que se quiere trabajar. La carga que se quiere mover habitualmente será cercana a la inercia del servomotor. HUSILLOS A BOLA Un husillo de bolas es un actuador lineal mecánico que convierte el movimiento de rotación lineal con pocas pérdidas por fricción, se considera que es el más preciso de todos los sistemas, funciona a partir del del principio de recirculación de bolas. Este consiste en un sinfín acanalado y un acoplamiento a los que se fija el conjunto a desplazar. Cuando el motor rotativo empieza a girar, su rotación se transmite al sinfín y el cuerpo del acoplamiento se traslada longitudinalmente a través de este, es decir, el tornillo lleva un perfil semicircular. 8 Figura 4 Tornillo con perfil semicircular Y en contraparte, la tuerca lleva la otra mitad de la circunferencia. Esa circunferencia es con la finalidad de guiar una línea de bolas que corre a todo lo largo de la cuerda del tornillo. (UNAC, 2011) Figura 5 Tuerca con perfil semicircular Dentro de la misma tuerca existe un canal que permite a las bolas correr libremente y regresar. Por otro lado, la tuerca se mantiene sujeta al tornillo con un juego prácticamente inexistente y por otro, ya que rueda sobre bolas, la potencia necesaria para mover la tuerca es mínima. Es importante notar que la tuerca no reposa sobre el tornillo, sino sobre las bolas. Figura 6 Acoplamiento de tuerca y tornillo 9 Las dos partes de su cuerpo están ajustadas con una precarga para reducir al mínimo el juego transversal entre ellas con lo que se mejora la exactitud y repetibilidad de los desplazamientos. Sin embargo, las precargas provocan una fricción estática mayor en el sistema y por tanto, se requiere una mayor fuerza del accionamiento. De igual manera, se pretensa el propio eje del husillo para compensar las sobretensiones en la dirección axial en el caso de que existan dilataciones térmicas, ya que esto puede provocar desajustes, deformaciones o roturas tanto en los elementos de sujeción como los rodamientos o cojinetes o en cualquiera de los elementos del sistema. Aun así, es un movimiento sin apenas resistencia y con una exactitud de desplazamiento total. El husillo de bolas es la base mecánica de las máquinas de control numérico. Los accionamientos tipo husillo a bolas se caracterizan por su alta eficiencia (9598%), cuentan con bajo calentamiento, bajo desgaste y larga vida útil. En cuanto a sus características cinemáticas, los actuales accionamientos husillo-bolas pueden alcanzar velocidades de carrera de 100 m/min. Resulta esencial una manipulación de la relación rigidez/peso de la estructura de la máquina herramienta (diseño ligero). Además de que asumiendo una rigidez constante, la masa de carga debe ser la menor posible para realizar una aceleración dada en desplazamientos. Los husillos a bolas se limitan a movimientos lineales cortos, generalmente de hasta 4 metros, esto debido a que la precisión y rigidez se puede ver comprometida en trayectorias más largas ya que esta tecnología es capaz de generar errores acumulados significativos, además este sistema es el más costoso de todos. En la figura 4 tenemos un ejemplo de un husillo de bolas, en este accionamiento el interior de la tuerca está sellado para evitar que la viruta entre hacia los conductos de las bolas. 10 Figura 7 Husillo de bolas Independientemente de la distancia, los movimientos cortos y repetitivos generan calor, dilatación local y afectan a la precisión. En una distancia de cuatro metros se asume que un husillo a bolas puede generar un error de hasta varias décimas de milímetros. (REDEX-ANDANTEX, 2015). El objetivo principal tanto del accionamiento como de todo el sistema mecatrónico es conseguir la mejor precisión a mayor velocidad de avance posible, por ello tiene que existir una buena relación entre la parte mecánica y el control de la máquina. ACCIONAMIENTOS PIÑÓN-CREMALLERA Este sistema es el más usado en máquinas grandes debido a que se pueden obtener increíbles precisiones utilizando un engranaje reductor y es más económico que el husillo de bolas, ya que estos pierden rigidez si no se incrementa el diámetro para el caso de grandes longitudes. En cambio, la transmisión de piñón-cremallera presenta una inercia y rigidez independiente del recorrido. Sin embargo, el ruido que se genera al chocar los dos engranajes es un poco mayor que los otros sistemas. 11 Figura 8 Máquina fresadora de gran dimensión con accionamiento piñón cremallera Ofrecen un mejor momento de inercia (menor), mayor frecuencia natural, mejor eficiencia y una precisión global independiente de la longitud del desplazamiento. (REDEX-ANDANTEX, 2015). En comparación con los husillos a bolas, una de sus mayores ventajas es su versatilidad, específicamente cuando nos referimos a la flexibilidad de la longitud instalada. La configuración es más rápida y sencilla permitiendo una mayor fiabilidad, mantenimiento más sencillo y un coste total de propiedad insuperable. Figura 9 Sistema de accionamiento piñón-cremallera 12 Figura 10 Dibujo en perspectiva de un mecanismo piñón cremallera Cuanto mayor sea la rigidez de cada componente de los accionamientos piñóncremallera, más sencilla será la configuración de parámetros del bucle de control, y la transmisión del movimiento será más precisa (al eliminarse la imprecisión en alcanzar el objetivo, la frecuencia natural aumenta). El nivel de rigidez de un accionamiento lineal se indica según el eje accionado sobre el que se aplica la composición de fuerzas. La rigidez compuesta (total) es la suma de estos tres componentes: Rigidez torsional: Depende del sistema interno de engranajes planetarios. Es el resultado de la deformación angular a la que se somete el sistema cuando la entrada del reductor se bloquea y cuando se aplica una fuerza a la salida. Rigidez radial: Depende de la flexión del árbol que conecta el reductor a la cremallera. Rigidez axial: Depende de las deformaciones en el mismo eje. 13 Figura 11 Vista longitudinal de la cremallera Mediante la unión de varias cremalleras juntas, se pueden realizar carreras de avance bastante largas. La rigidez total está dominada por la rigidez de torsión del engranaje y del eje del piñón, así como la rigidez de contacto de la combinación de piñón-cremallera. La transferencia de potencia en el piñón se caracteriza por las bajas revoluciones y alto par. Toda la línea de accionamiento debe estar diseñada con alta rigidez torsional t estar libre de holguras. Esto se puede conseguir por medio de la de la separación del piñón. La holgura se puede eliminar mediante dos piñones con engranaje helicoidal que se combinan con una cremallera o con la aplicación de tensión al accionar el piñón con dos motores en direcciones opuestas, así mientras el motor principal aplica par alto para entregar el movimiento, el segundo entrega menos par para eliminar la holgura. Por esto es importante que el accionamiento piñón-cremallera debe ser específicamente diseñado con respecto a sus características. ACCIONAMIENTOS POR ACOPLAMIENTO DIRECTO Los accionamientos por acoplamiento directo, básicamente son los que pueden alcanzar mayores anchos de banda debido a la ausencia de transferencia de entre motor y elemento a mover. Para la traslación se usan los motores lineales y para la rotación, los motores de par. (Ansoategui, 2017). MOTOR LINEAL Es un motor eléctrico asíncrono con rotor y estator plano que están distribuidos de forma que producen una fuerza magnética lineal en el sentido de avance. En los 14 accionamientos lineales no hay ningún elemento de transmisión de movimiento flexible. Aparte de primario y secundario, se deben situar guías lineales para acompañar el movimiento y reglas ópticas en estas guías para medir la posición de los ejes. Al no haber contacto entre primario y secundario, se limitan los desgastes y rozamientos a los que aparezcan en las guías. Debido a que en el entrehierro existen pérdidas electromagnéticas se genera una gran cantidad de calor, por lo que se necesita un elemento refrigerante. Figura 12 Componentes de un motor lineal Los motores lineales tienen capacidad para alcanzar altas aceleraciones y velocidades. Su velocidad máxima suele ser mayor que 120 m/min, y puede alcanzar máximas de 600 m/min. Otra de sus principales ventajas es el fácil montaje de sus componentes. En sus desventajas están el alto coste del accionamiento y que la fuerza limitada frente a la proporcionada por un accionamiento basado en husillos hace que el rango de masas que puedan desplazar quede limitado. Además de que resulta necesario el aislamiento de las guías contra la viruta debido a la atracción magnética. El sistema de guía es el mismo que los accionamientos de husillo a bolas. Mientras que la carga de corte y la masa se transmiten directamente al motor. Los accionamientos lineales permiten una mayor aceleración, velocidad de avance y posicionamiento rápido con anchos de banda de servo elevados. 15 MOTOR DE PAR Transmiten la potencia de forma directa a los elementos de la máquina sin ningún cuerpo ni mecanismo adicional tal como reductores, correas y polea, o contra ejes, debido a su alto par. El esfuerzo de torsión generado por el motor eléctrico se aplica directamente al eje de la máquina. Se utiliza generalmente para accionamientos de avance en ejes rotativos de altas prestaciones y para los casos donde se utiliza el mismo sistema del eje rotativo como accionamiento principal. Al igual que en los motores lineales, la disipación del calor también es un problema por contar con efecto electromagnético. Los accionamientos para ejes rotativos (A, B, C) utilizan un servomotor y reductor (sinfín-corona). Figura 13 Accionamiento para eje rotativo 16 CONCLUSIÓN Esta más que visto que es de vital importancia la correcta elección de los elementos que componen la maquina CNC, tomando en cuenta de forma sensata que el saber elegir nos brinda un eficiente funcionamiento y satisfactorios resultados a la hora de poner en marcha nuestra herramienta. Por ejemplo, el accionamiento se tendrá que elegir de acuerdo con la carga o estructura que deberá mover la máquina herramienta, la función de la precisión y la velocidad a la que se quiere trabajar. Dentro de este elemento se pueden elegir: •Accionamientos para los ejes lineales cartesianos (X, Y, Z) los cuales se componen de un servomotor y de un sistema de conversión de movimiento generalmente de giro a lineal. Los accionamientos que más se usan son: el husillo a bolas, y el motor lineal. •Los accionamientos para ejes rotativos (A, B, C), que utilizan un servomotor y reductor. •Los accionamientos de piñón-cremallera y de motor lineal se utilizan generalmente para los movimientos de masas reducidas, debido a la alta demanda de intensidad Por otro lado, a la hora de elegir el tipo de motor, tenemos dos opciones latentes hoy en día, los cuales son; paso (PaP) y los servomotores, donde los motores paso a paso son capaces de avanzar una serie de grados (pasos) a partir de unas señales de control. Presentan las ventajas de tener alta precisión y repetitividad en cuanto al posicionamiento Mientras que los servomotores son de construcción convencional de escobillas (mejor de 4 escobillas) o la tendencia actual, busheles con control electrónico de posición. Habitualmente trabajan acoplados a una reductora de precisión e incluyen un sensor de posicionamiento para gestionar la posición. 17 BIBLIOGRAFÍA (2011). Descripción de la máquina. Fecha de consulta: febrero 27, 2011, de UNAC. Sitio web: https://unac.edu.pe/documentos/organizacion/vri/cdcitra/Informes_Finales_I nvestigacion/Abril_2011/IF_LOAYZA_FIME/CAPITULO%20II.PDF (2021). ¿Qué tipos de motores se utilizan en las máquinas CNC? Fecha de consulta: febrero 26, 2021, de Seabrooke Windows. Sitio web: ¿Qué tipos de motores se utilizan en las máquinas CNC? / Seabrookewindows.com Ansoategui, D. (2017). Análisis mecatrónico de accionamientos de máquinas herramienta teniendo en cuenta la flexibilidad de la estructura. Fecha de consulta: febrero 27, 2021, de Universidad del País Vasco. Sitio web: https://addi.ehu.es/bitstream/handle/10810/25648/TESIS_ANSOATEGUI_B ELATEGUI_IGOR.pdf;jsessionid=F0694AD5A456DCD019461214498CD6D D?sequence=1 CIESZEL. (2017). Componentes mecánicos de una máquina CNC. Fecha de consulta: febrero 27, 2021, de CNC DIY. Sitio web: https://cncdiyblog.wordpress.com/2017/04/09/primera-entrada-de-blog/ REDEX-ANDANTEX. (2015). Accionamientos piñón-cremallera máquinas herramienta. Fecha de consulta: febrero 27, 2021, de InfoPLC. Sitio web: https://www.infoplc.net/noticias/item/102898-pinon-cremallera-maquinasherramienta Teyssier, Y. (2019). Aplicaciones de los motores lineales. Fecha de consulta: febrero 28, 2021, de Urany. Sitio web: Urany | Aplicaciones de los motores lineales 18